medicion de las caracteristicas del igbt final

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Universidad Politécnica Salesiana, Electrónica de Potencia II, Medición de las características del IGBT Facultad de Ingeniería Eléctrica, Campus Kennedy, Quito - Ecuador Abstract The IGBT is suitable for speeds up to 100 kHz switching and replaced the BJT in many applications. It is used in applications such as high and medium power switching power supply, traction control and engine induction cooker. Large IGBT modules consist of many devices placed in parallel that can handle high currents on the order of hundreds of amperes with blocking voltages of 6,000 volts. It is conceivable the Darlington transistor IGBT as a hybrid. It is the current handling capacity of a bipolar but requires the base current to maintain conduction. However switching transients base can be equally high. In power electronics applications it is intermediate between the thyristors and mosfet. It handles more power than the latter being slower than them and reverse compared to the first. Equivalentede an IGBT circuit. This is a device for switching in high voltage systems. The gate drive voltage is about 15 V. This provides the advantage of controlling power systems by applying a weak electrical signal at the gate input. The insulated gate bipolar transistor (IGBT, English Insulated Gate Bipolar Transistor) is a semiconductor device that is generally applied as controlled power electronics circuit breaker. This device has the characteristics of the gate signals of field effect transistors with high current capacity and low saturation voltage of the bipolar transistor, an insulated gate FET combining for the control input and a bipolar transistor as a switch in one device. The IGBT drive circuit is as the MOSFET, while the driving characteristics are as BJT. Electrical Engineering Faculty Universidad Politécnica Salesiana Quito-Ecuador Pablo Achig Santamaria Andres Artieda Cadena Electrical Engineering Student Electrical Engineering Student Universidad Politécnica Salesiana Universidad Politécnica Salesiana Quito-Ecuador Quito-Ecuador [email protected] [email protected] Jhonny Correa Lopez Ermel Santacruz Carcelen Electrical Engineering Student Electrical Engineering Student Universidad Politécnica Salesiana Universidad Politécnica Salesiana Quito-Ecuador Quito-Ecuador [email protected] [email protected] Veronica Vergara Naranjo Electrical Engineering Student Universidad Politécnica Salesiana Quito-Ecuador [email protected] Medición de las características del IGBT

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  • Universidad Politcnica Salesiana, Electrnica de Potencia II, Medicin de las caractersticas del IGBT

    Facultad de Ingeniera Elctrica, Campus Kennedy, Quito - Ecuador

    Abstract The IGBT is suitable for speeds up to 100 kHz switching and replaced the BJT in many applications. It is used in

    applications such as high and medium power switching power

    supply, traction control and engine induction cooker. Large IGBT

    modules consist of many devices placed in parallel that can handle

    high currents on the order of hundreds of amperes with blocking

    voltages of 6,000 volts.

    It is conceivable the Darlington transistor IGBT as a hybrid. It is

    the current handling capacity of a bipolar but requires the base

    current to maintain conduction. However switching transients base

    can be equally high. In power electronics applications it is

    intermediate between the thyristors and mosfet. It handles more

    power than the latter being slower than them and reverse compared

    to the first.

    Equivalentede an IGBT circuit.

    This is a device for switching in high voltage systems. The gate

    drive voltage is about 15 V. This provides the advantage of

    controlling power systems by applying a weak electrical signal at the

    gate input.

    The insulated gate bipolar transistor (IGBT, English Insulated

    Gate Bipolar Transistor) is a semiconductor device that is generally

    applied as controlled power electronics circuit breaker. This device

    has the characteristics of the gate signals of field effect transistors

    with high current capacity and low saturation voltage of the bipolar

    transistor, an insulated gate FET combining for the control input

    and a bipolar transistor as a switch in one device. The IGBT drive

    circuit is as the MOSFET, while the driving characteristics are as

    BJT.

    Electrical Engineering Faculty

    Universidad Politcnica Salesiana

    Quito-Ecuador

    Pablo Achig Santamaria Andres Artieda Cadena Electrical Engineering Student Electrical Engineering Student

    Universidad Politcnica Salesiana Universidad Politcnica Salesiana

    Quito-Ecuador Quito-Ecuador

    [email protected] [email protected]

    Jhonny Correa Lopez Ermel Santacruz Carcelen Electrical Engineering Student Electrical Engineering Student

    Universidad Politcnica Salesiana Universidad Politcnica Salesiana

    Quito-Ecuador Quito-Ecuador

    [email protected] [email protected]

    Veronica Vergara Naranjo Electrical Engineering Student

    Universidad Politcnica Salesiana

    Quito-Ecuador

    [email protected]

    Medicin de las caractersticas del IGBT

  • Universidad Politcnica Salesiana, Electrnica de Potencia II, Medicin de las caractersticas del IGBT

    Facultad de Ingeniera Elctrica, Campus Kennedy, Quito - Ecuador

    I. INTRODUCCION

    L TRANSISTOR BIPOLAR DE PUERTA AISLADA (IGBT,

    DEL INGLS INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR)

    ES UN DISPOSITIVO SEMICONDUCTOR QUE

    GENERALMENTE SE APLICA COMO INTERRUPTOR

    CONTROLADO EN CIRCUITOS DE ELECTRNICA DE

    POTENCIA. ESTE DISPOSITIVO POSEE LA

    CARACTERSTICAS DE LAS SEALES DE PUERTA DE

    LOSTRANSISTORES DE EFECTO CAMPO CON LA

    CAPACIDAD DE ALTA CORRIENTE Y BAJO VOLTAJE DE

    SATURACIN DEL TRANSISTOR BIPOLAR, COMBINANDO

    UNA PUERTA AISLADAFET PARA LA ENTRADA DE

    CONTROL Y UN TRANSISTOR BIPOLAR COMO

    INTERRUPTOR EN UN SOLO DISPOSITIVO.

    EL CIRCUITO DE EXCITACIN DEL IGBT ES COMO EL DEL

    MOSFET, MIENTRAS QUE LAS CARACTERSTICAS DE

    CONDUCCIN SON COMO LAS DEL BJT.

    LOS TRANSISTORES IGBT HAN PERMITIDO DESARROLLOS

    QUE NO HABAN SIDO VIABLES HASTA ENTONCES, EN

    PARTICULAR EN LOS VARIADORES DE FRECUENCIA AS

    COMO EN LAS APLICACIONES EN MQUINAS

    ELCTRICAS Y CONVERTIDORES DE POTENCIA QUE NOS

    ACOMPAAN CADA DA Y POR TODAS PARTES, SIN QUE

    SEAMOS PARTICULARMENTE CONSCIENTES DE

    ESO: AUTOMVIL, TREN, METRO, AUTOBS, AVIN, BARC

    O, ASCENSOR, ELECTRODOMSTICO, TELEVISIN, DOMT

    ICA, SISTEMAS DE ALIMENTACIN

    ININTERRUMPIDA O SAI.

    II. PROCEDIMIENTO

    Los IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) constituyen,

    desde el punto de vista de su empleo, un hbrido entre los

    transistores bipolares y los MOSFET para aprovechar tanto la

    sencillez de ataque de los ltimos, como la capacidad para

    conducir altas corrientes y baja resistencia en conduccin de los

    primeros.

    La estructura bsica, as como el circuito equivalente se muestra

    en la siguiente figura:

    FIGURA 1. Estructura y Circuito Equivalente del IGBT

    La estructura recuerda mucho la de un transistor MOSFET de

    potencia donde se utilizan obleas dopadas de Tipo N sobre las

    que se deposita una fina capa epitaxial. El IGBT est construido

    de forma casi idntica. La capa epitaxial presenta el mismo

    espesor y se dopa igual que en un FET. Sin embargo, existe una

    importante diferencia: el material de partida es una oblea

    dopada Tipo P en lugar de Tipo N. La unin PN adicional, as

    creada, inyecta portadores (huecos) en la regin epitaxial Tipo

    N reduciendo su resistividad y rebajando la cada de tensin en

    conduccin.

    A este proceso se le conoce tambin por "Modulacin de la

    Conductividad" y puede contribuir a incrementar la capacidad

    de conduccin de corriente hasta 10 veces ms.

    Por otro lado, la adicin de esta capa Tipo P, introduce un nuevo

    transistor parsito que con el NPN inherente a la estructura de

    un MOSFET, conforma un Tiristor parsito, el cul en caso de

    ser activado puede destruir al IGBT.

    Desde el punto de vista econmico, los IGBT, al utilizar el

    principio de los FET tan slo para el circuito de ataque y no el

    de potencia, dejando ste en manos de una estructura bipolar,

    reducen sustancialmente los requerimientos en cuanto a

    superficie de Silicio necesaria. Tenemos entonces que, para

    tensiones superiores a los 400V, la superficie de un IGBT es

    tpicamente un tercio de la del MOSFET comparable.

    El techo de frecuencia se sita alrededor de los 75kHz, debido

    a que la corriente principal se controla con un transistor bipolar.

    En estos dispositivos sin embargo, se han conseguido tiempos

    de conmutacin de 0,2 ms con muy bajas cadas de tensin, lo

    que les hace muy tiles en conmutaciones rpidas.

    La facilidad de control, similar a la de un MOSFET, unida a sus

    prdidas relativamente bajas, les convierten en la eleccin

    idnea para aplicaciones de control de motores conectados

    directamente a la red (hasta 480 V). Para tensiones de 400 a

    1200 V, los IGBT ofrecen ventajas sustanciales frente a los

    transistores bipolares de potencia, por lo que estn sustituyendo

    a stos en un amplio campo de aplicaciones.

    Actualmente, con la aparicin de la 2 generacin de IGBTs, los

    fabricantes ofrecen una amplia gama de estos dispositivos, y se

    pueden elegir bien por su rapidez o bien por su cada de tensin

    en conduccin; esto es muy interesante ya que permite

    optimizar la utilizacin de stos dispositivos en funcin de las

    distintas aplicaciones. Se encuentran ya dispositivos capaces de

    soportar 1200 V y 400 A.

    E

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    Facultad de Ingeniera Elctrica, Campus Kennedy, Quito - Ecuador

    A. DISEO DEL CIRCUITO

    1. Coloque el Osciloscopio de Almacenamiento Digital en el banco de trabajo. Ponga los mdulos PE-5310-

    1A, PE-5310-5E, PE-5310-2B en el Esquema

    Experimental.

    FIGURA 2. Modulo PE-5310-1A

    FIGURA 3. Modulo PE-5310-5E

    FIGURA 4. Modulo PE-5310-2B

    2.- Complete las conexiones de acuerdo al diagrama de

    conexiones de la Figura 4-6 usando enchufes Puente (lneas

    cuervas) y cables de conexin. Conecte el suministro de 220V

    Ac al mdulo de la Fuente de alimentacin DC y al mdulo de

    Amplificador Diferencial enchufando en la toma de tres puntas.

    FIGURA 5. Diagrama de Conexiones para la Medicin de las

    Caractersticas del IGBT.

    3.- La entrada CH1 del DSO est conectada para medir la

    tensin de carga VL del IGBT por medio de Ch.A del

    Amplificador Diferencial, mientras que la entrada CH2 est

    conectada para medir la tensin C-E, VCE del IGBT por medio

    de Ch.C del Amplificador Diferencial.

  • Universidad Politcnica Salesiana, Electrnica de Potencia II, Medicin de las caractersticas del IGBT

    Facultad de Ingeniera Elctrica, Campus Kennedy, Quito - Ecuador

    FIGURA 6. Formas de Onda de la Medicin de las Caractersticas del

    IGBT.

    4.- En el Amplificador Diferencial, coloque el interruptor

    Selector de Rango V (SWA, SWC) de Ch.A y Ch.C del DIF

    en la posicin de 100V (la relacin Vi/Vo = 100/10 = 10) y

    coloque los interruptores Selectores de CH (SW1, SW2) en A

    y C, respectivamente.

    FIGURA 7. Diagrama de Conexiones para la Medicin de las

    Caractersticas del IGBT.

    5.- Para ajustar el MOSFET / IGBT, enciende S1 (posicin

    izquierda), S2 (posicin arriba) y S3 (posicin arriba) para

    conectar las lmparas de carga E1 Y E2 en paralelo. Ponga la

    perilla R1 en la posicin minutos. Esto establece la tensin de

    la puerta VG de IGBT en cero.

    FIGURA 8. Diagrama de Conexiones para la Medicin de las

    Caractersticas del IGBT.

    III. DESARROLLO

    A. PRUEBAS DEL CIRCUITO

    6.- Encienda. Mida y registre la tensin de carga VL y la tensin

    C-E, VCE del IGBT como se muestra en la figura.

    FIGURA 9. Medicin de la tensin de carga VL y VCE

    7.- Lentamente gire la perilla R1 al mximo para aumentar la

    tensin de compuerta VG hasta que el IGBT se encienda. La

    medicin de la tensin de carga VL (CH1) y la tensin C-E,

    VCE (CH2) se muestra en la figura.

  • Universidad Politcnica Salesiana, Electrnica de Potencia II, Medicin de las caractersticas del IGBT

    Facultad de Ingeniera Elctrica, Campus Kennedy, Quito - Ecuador

    Utilizando el Medidor de RMS (no mostrado en diagrama de

    conexiones), mida y registre la tensin de compuerta

    VG = 5, 56 [V] (5,6 [V] aproximadamente). El VG medido es el voltaje del

    umbral de la compuerta VT del IGBT.

    FIGURA 10. Medicin de la tensin de carga VL y VCE

    8.- Gire la perilla R1 hasta la posicin mxima (VG mximo).

    Medida y registre la tensin de carga VL (CH1) y la tensin C-

    E, VCE (CH2) se muestra en la figura.

    FIGURA 11. Medicin de la tensin de carga VL y VCE

    VG MAX = 15, 56 [V]

    FIGURA 12. Medicin de la tensin de carga VL y VCE Mxima

    8.- Gire la perilla R1 hasta la posicin mnima (VG mnimo).

    Medida y registre la tensin de carga VL y la tensin C-E, VCE

    del IGBT como se muestra en la figura.

    FIGURA 13. Medicin de la tensin de carga VL y VCE

    VG MIN = 5, 56 [V]

  • Universidad Politcnica Salesiana, Electrnica de Potencia II, Medicin de las caractersticas del IGBT

    Facultad de Ingeniera Elctrica, Campus Kennedy, Quito - Ecuador

    FIGURA 14. Medicin de la tensin de carga VL y VCE Mnima

    IV. CONCLUSIONES

    Al realizar esta prctica pudimos tener una primera familiarizacin con los equipos de potencia lo cual nos

    ayudara a tener en claro lo tratado en clase.

    El objetivo de realizar prcticas es tener conocimiento en donde se aplican las ecuaciones y como se visualiza

    las seales por medio del osciloscopio.

    El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT) es un dispositivo semiconductor que generalmente se

    aplica como interruptor controlado en circuitos

    de electrnica de potencia.

    El IGBT es adecuado para velocidades de conmutacin de hasta 100 kHz y ha sustituido

    al BJT en muchas aplicaciones.

    Es usado en aplicaciones de altas y medias energa como fuente conmutada, control de la traccin en

    motores y cocina de induccin.

    REFERENCIAS

    [1] OLLE, Elgerd, Electric Energy Systems Theory: An Introduction, Editorial McGraw-Hill Inc., chap 7.

    [2] GRAINGER, Jhon. STEVENSON, William, Anlisis de Sistemas Elctricos de Potencia, Editorial McGraw-Hill Inc., Mxico 1996.

    BIOGRAFAS

    Pablo Achig, naci en Quito-Ecuador el 14

    de Noviembre de 1993. Realiz sus estudios

    secundarios en el Colegio Tcnico Don Bosco. Estudia en la Universidad Politcnica Salesiana en la Facultad de Ingeniera

    Elctrica en la misma que est cursando el

    7mo nivel de ingeniera.

    ( [email protected] )

    Andres Artieda, naci en Quito-Ecuador el

    20 de Mayo de 1992. Realiz sus estudios

    secundarios en el Colegio Tcnico Don Bosco. Estudia en la Universidad Politcnica Salesiana en la Facultad de Ingeniera

    Elctrica en la misma que est cursando el

    7mo nivel de ingeniera.

    ( [email protected] )

    Jhonny Correa, naci en Quito-Ecuador el

    12 de Diciembre de 1990. Realiz sus

    estudios secundarios en el Colegio Tcnico

    Don Bosco. Estudia en la Universidad Politcnica Salesiana en la Facultad de

    Ingeniera Elctrica en la misma que est

    cursando el 7mo nivel de ingeniera.

    ( [email protected] )

  • Universidad Politcnica Salesiana, Electrnica de Potencia II, Medicin de las caractersticas del IGBT

    Facultad de Ingeniera Elctrica, Campus Kennedy, Quito - Ecuador

    Ermel Santacruz, naci en Quito-Ecuador el

    24 de Octubre de 19930. Realiz sus estudios

    secundarios en el Colegio Tcnico Don Bosco. Estudia en la Universidad Politcnica Salesiana en la Facultad de

    Ingeniera Elctrica en la misma que est

    cursando el 7mo nivel de ingeniera.

    ( [email protected] )

    Vernica Vergara, naci en Quito-Ecuador

    el 24 de Octubre de 19930. Realiz sus

    estudios secundarios en el Colegio Tcnico

    Don Bosco. Estudia en la Universidad Politcnica Salesiana en la Facultad de

    Ingeniera Elctrica en la misma que est

    cursando el 7mo nivel de ingeniera.

    ( [email protected] )